干旱河谷水電工程建設(shè)水土保持生態(tài)修復(fù)研究

馬文龍，趙鑫鈺

(華電四川雜谷腦水電開發(fā)公司，四川成都 610091)

1 研究背景

據(jù)水利部近年統(tǒng)計，我國國土水土流失面積達357萬km2，每年流失的土壤總量約50億t，損失耕地100萬畝。盡管經(jīng)過多年努力，水土流失的局部治理已見一定成效，有許多成功范例，但就全國國土總體形勢來看，水土流失已呈現(xiàn)出越來越嚴峻的態(tài)勢。目前，全國現(xiàn)有水土流失嚴重縣達646個，亟待治理的面積近200萬km2，每年因水土流失造成的經(jīng)濟損失相當于GDP 的2.4%左右。換言之，國家若不采取強力、有效措施遏制水土流失的話，那么，占國土面積70%的山區(qū)荒漠化、石漠化必將進一步加劇，不僅制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，而且將嚴重威脅到我國的生態(tài)安全、糧食安全、防洪安全，甚至國家安全。

受地形、地貌、氣候條件的影響，高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷地區(qū)以及西南山區(qū)高陡坡體是水土保持及生態(tài)修復(fù)難以攻克的課題，尤其是經(jīng)過2008年5.12汶川特大地震后，災(zāi)區(qū)的水土保持及生態(tài)修復(fù)十分艱難、代價巨大。此外，西南地區(qū)干旱河谷水能資源、森林資源蘊藏量相對豐富，人口密度高、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對發(fā)達。與其對應(yīng)的是，由于高山峽谷自然環(huán)境脆弱、地質(zhì)條件復(fù)雜，地表巖層破碎、構(gòu)造運動活躍、地震頻發(fā)，滑波、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害嚴重，而且隨著人口的轉(zhuǎn)移和增長，自然資源承受的人類生產(chǎn)活動壓力不堪重負，生態(tài)平衡遭到破壞，陡坡開墾、森林采伐、過度放牧等加劇了區(qū)域的水土流失，以致于其已成為河流泥沙的主要來源與土壤侵蝕最嚴重的地段。

自上個世紀90年代中后期始，特別是國家實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略以來，西南山區(qū)已建、在建、擬建的大、中、小型電站數(shù)以千計。水電站建設(shè)從長遠看有利于生態(tài)環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟，但毋庸置疑的是:其建設(shè)過程會對建筑物局地環(huán)境造成破壞。水電站建設(shè)初期，大規(guī)模開挖必然導(dǎo)致山體或河岸的水土流失。因此，科學(xué)、系統(tǒng)地研究高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷以及西南山區(qū)高陡坡體的水土保持及生態(tài)修復(fù)具有十分重要的意義。

國外在干旱區(qū)域的植被恢復(fù)或生態(tài)修復(fù)方面曾經(jīng)作過許多探索，其研究成果提倡和施行的主要是以人為影響很小的自然生態(tài)恢復(fù)，也有采用一些特殊技術(shù)，充分、高效地利用可能的水分條件，保證植物的生長發(fā)育，或者采用合適的植物種類(如根系深、適應(yīng)干旱能力強等)，在利用微生物技術(shù)及保水劑確保植物成活或促進植物生長方面也進行了有益探索。但各國有其迥異的國情，相當多的國家人均國土面積比我國大、人均水資源稟賦比我國好，采取自然恢復(fù)具有較大的時間、空間優(yōu)勢。也就是說，自然生態(tài)恢復(fù)需要漫長的時間和廣域空間來保證。而對于我國而言，人多地少，與水爭地、與山爭地已然成為城市(鎮(zhèn))化發(fā)展的必然，水土保持靠自然恢復(fù)不現(xiàn)實，而加強人為干預(yù)的工程或植物措施進行生態(tài)修復(fù)則成為當務(wù)首選。

國內(nèi)水利部門對長江、黃河流域干旱河谷的生態(tài)保護、泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的生態(tài)防治技術(shù)、小流域泥沙的綜合治理及控制技術(shù)方面亦進行了各種研究實踐，或不乏成功案例，但主要目標集中在以恢復(fù)植被和綠化方面，而以修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的綜合功能為目標的研究和實踐尚待更大投入。

我們作為中央企業(yè)和國有電力開發(fā)建設(shè)單位，在西部高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的西南山區(qū)開發(fā)水電，難以避免會造成工程區(qū)域內(nèi)的水土流失。作為央企、國企，保護生態(tài)環(huán)境、防治水土流失是我們不可推卸的社會責(zé)任、法律責(zé)任。在研究和實踐工程區(qū)域的環(huán)境保護、控制施工過程中水土流失、修復(fù)局地生態(tài)環(huán)境方面我們已有一些成功經(jīng)驗，但在復(fù)雜地域尤其是高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷地區(qū)控制施工過程的水土流失仍任重道遠。一方面是待開發(fā)電站越來越深入到此類地區(qū)，環(huán)境保護責(zé)任越來越重大;另一方面，研究、實踐實施的技術(shù)難度和投入愈發(fā)加大。這也使得我們必須加大力度和速度進行創(chuàng)新性研究、實踐。2010年10月，筆者所在的水電流域公司獲得集團公司科技創(chuàng)新基金支持，專題研究高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的水土保持及生態(tài)修復(fù)課題。

2 研究采用的技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)

由政府實施的退耕還林、封山育林、退田還湖、禁止亂砍濫伐等水土保持宏觀舉措在一些地域已經(jīng)起到了一定作用。但在高寒、高海拔、干旱或干熱河谷的西南山區(qū)，因自然形成的生態(tài)脆弱與多民族聚居;坡耕地集中、水分空間錯位;降雨稀少、蒸發(fā)強烈、水資源短缺、可耕地緊張、坡耕地分散、土壤侵蝕強烈等特點，僅僅采用上述宏觀舉措不能從根本上解決水土流失問題;水電工程造成的局域水土流失更無法選擇上述措施。而采用大規(guī)模工程措施，一則投入大，在短時間難以發(fā)揮生態(tài)作用;二則因未改變水氣條件，不能徹底治理水土流失;加之所有制問題和所有(經(jīng)營)權(quán)不明晰，如果后續(xù)照管、維護跟不上，所取得的臨時效果也會很快消失。在這種宏觀微觀錯綜復(fù)雜的大環(huán)境下，我們要履行環(huán)境保護的社會責(zé)任，只能創(chuàng)新思路，巧投入、找路徑、尋突破，以爭取持續(xù)效果。

2.1 研究采用的技術(shù)路線

從所收集的資料中不難發(fā)現(xiàn)，一些僅有的在高海拔、干熱河谷中使用的水土保持及生態(tài)恢復(fù)既植被恢復(fù)的研究成果中的主要措施多集中在物種選擇培育方面，那些經(jīng)過篩選可以在干旱河谷不同母巖發(fā)育土壤中存活及生長的植物種類由于缺乏后期投入與管護亦難以能存活。在個別地段的成功，尚不適宜擴大及推廣。本課題的研究，就是摒棄走“單一環(huán)境、同類實驗”的研究老路，目標是探索一種適應(yīng)性強、便于推廣、資金投入不大、方法簡單、經(jīng)營與管護結(jié)合的保土保水長效機制。具體說:就是因地制宜、因時制宜，針對每個環(huán)境條件因子，發(fā)揮每個改造主體的能動而有效的作用，譬如:任何一個適地居住的承包經(jīng)營農(nóng)戶，在高海拔、高寒地帶，以不同高程和水氣條件輔以小微規(guī)模工程措施并研究結(jié)合不同耐寒、耐旱且適應(yīng)低溫的經(jīng)濟植物(花椒等);或在西南干旱河谷、干熱河谷除選擇適宜的經(jīng)濟植物品種外再分不同實驗環(huán)境、對象，采用本研究課題創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)，即通過數(shù)十組(水泥、粉煤灰、黏土等)微量膠凝材料與水、當?shù)?沙、雜)土、草屑進行不同比例摻拌，人工鋪撒在邊坡、陡坡上，實現(xiàn)固土、穩(wěn)坡、保土保水效果。

采取細微工程措施與低投入生態(tài)植物措施以改善小環(huán)境，通過實驗獲取水土保持的簡便方法，擬構(gòu)建多種適合干旱、干熱河谷(不同海拔與氣候以及人為活動強度等)區(qū)域的生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系，實現(xiàn)由點及面、左右延展、上下依托的立體水土保持生態(tài)效果。本研究課題以現(xiàn)場實驗為主，配合少量的實驗室對比性(主要是植物在各類摻拌土環(huán)境下的存活與生長)實驗，再將實驗成果推介給當?shù)卣娃r(nóng)戶。本課題研究探索內(nèi)容采用的技術(shù)路線為:

(1)高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現(xiàn)狀調(diào)查;

(2)同區(qū)域高陡坡體植被的適應(yīng)性調(diào)查;

(3)生態(tài)修復(fù)機理研究;

(4)具有代表性的實驗場地優(yōu)選;

(5)微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例的摻拌實驗;

(6)干拌和濕拌摻草屑實驗;

(7)同上條件高陡坡體鋪設(shè)土模擬雨水沖刷實驗;

(8)內(nèi)外對比實驗;

(9)效果與效益評估。

本研究課題采用的技術(shù)路線為:

資料收集→高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現(xiàn)狀調(diào)查→同區(qū)域高陡坡體植被的適應(yīng)性調(diào)查→生態(tài)修復(fù)機理研究→具有代表性試驗場地優(yōu)選→微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例摻拌實驗→干拌和濕拌摻草屑實驗→模擬雨水沖刷實驗→實驗室與現(xiàn)場實驗對比分析→效果與效益評估。本課題技術(shù)路線及研究程序見圖1。

圖1 技術(shù)路線及研究程序圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

本研究課題實驗現(xiàn)場主要選在川西岷江上游海拔1500～2300 m 的干旱河谷。這樣的選擇是考慮到“5.12”特大地震發(fā)生后區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成為四川經(jīng)濟社會發(fā)展的當務(wù)之急，研究成果便于直接在重災(zāi)區(qū)發(fā)揮經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。川西岷江上游的理縣、茂縣、汶川縣域都是地震重災(zāi)區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜、巖石破碎、山地地表灰褐土母質(zhì)多為變質(zhì)巖的風(fēng)化物，由坡積母質(zhì)發(fā)育而成;坡體全強風(fēng)化沙土顆粒粗、土質(zhì)連接松散、結(jié)構(gòu)性差、土粒干燥，呈堿性反應(yīng)，有機質(zhì)含量較低，土壤普遍缺磷，表土礫石較多。采用多組不同膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)摻量和以不同比例的植物種子、水、當?shù)赝?、草屑摻拌，拋撒或鋪設(shè)在陡坡、邊坡上，形成保土、保水、保肥的一層“殼”。

摻拌微量膠凝材料的目的是固土，擬改變土質(zhì)顆粒松散、結(jié)構(gòu)性差、細顆粒容易被大風(fēng)吹走、坡體不能抵御雨水沖刷等水土流失問題。所謂“微量摻拌”，就是將膠凝材料控制在1%～5%范圍內(nèi)，既要保土，又不能較大程度地改變土質(zhì)酸堿性。在膠凝材料摻拌實驗中，只允許黏土比例適當提高。

摻拌草屑，就是將收集或購買的雜草切割成8～10 cm 長的草屑，用鍬由人工干摻或加適量水或與膠凝材料一起摻拌并鋪設(shè)于坡體。摻拌草屑，一方面起土體加強筋的(固土)作用;另一方面，草屑形成腐殖質(zhì)，在土體內(nèi)腐爛后作肥料，有利于植物生長。

摻水人工拌和的目的是使土體較為均勻地鋪設(shè)在陡坡坡面上，粗顆粒不易離析、滾落、分離。摻水又分單獨摻水、與膠凝材料合摻、與草屑及膠凝材料混摻等實驗組項，也有不加水干摻組項。

分別摻拌微量膠凝材料、摻拌草屑和摻水與否的多種實驗就是擬找到一種農(nóng)戶個體都能夠方便實施、簡單、經(jīng)濟的水土保持與生態(tài)修復(fù)方法。每個農(nóng)戶、每個土地承包經(jīng)營者都能采用這種方法改善耕地、林地、草地或“房前屋后”植被種植環(huán)境，讓任何土地、坡地變成良田、果園。這種從微觀上突破的創(chuàng)新思路與修復(fù)生態(tài)的技術(shù)，正是本科研課題的關(guān)鍵技術(shù)與核心內(nèi)容。

3 實驗過程及效果

我國水土流失涉及范圍廣、影響大、危害重，是關(guān)乎國家生態(tài)安全的重大環(huán)境問題。隨著近年來我國工業(yè)化、城市化、新農(nóng)村建設(shè)進程的加快，開發(fā)建設(shè)項目所造成的水土流失問題已不容等閑輕視。水土保持已上升為促進人與自然和諧、保障國家生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的一項長期戰(zhàn)略任務(wù)。治理水土流失、修復(fù)生態(tài)環(huán)境需要創(chuàng)新思路、培養(yǎng)人才、加大責(zé)任及違法懲處力度。中國科學(xué)院、中國工程院的數(shù)十位院士、科學(xué)家一致建議國家設(shè)置水土保持與荒漠化防治一級學(xué)科，并著手研究水土流失、荒漠化、石漠化、農(nóng)地退化、山地災(zāi)害以及開發(fā)建設(shè)項目造成的環(huán)境脆弱和生態(tài)退化問題。

本研究課題選擇在川西山區(qū)，正是希望研究地域同時滿足高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷、高陡坡體復(fù)雜脆弱的生態(tài)環(huán)境。實驗場域所在氣候?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，主要受西伯利亞的西風(fēng)氣流、印度洋暖流和太平洋東南季風(fēng)的影響，具有季風(fēng)氣候的特點。域內(nèi)海拔高差懸殊、地形復(fù)雜，氣候差異顯著，具有山地立體型氣候特征，小氣候多樣。區(qū)位在北緯31°12'～31°55'、東經(jīng)102°36'～103°39'之間。全域呈扇形，南、西、北三面為群山環(huán)抱。

根據(jù)氣象統(tǒng)計資料，實驗區(qū)西部多年平均氣溫為11.2℃，多年平均年降水量為613.3 mm，多年平均年蒸發(fā)量為1432.4 mm;多年平均日照時數(shù)為1671.4 h;多年平均相對濕度67%，為典型的干旱河谷氣候。實驗區(qū)東部多年平均氣溫為13.5℃、多年平均年降水量為537.9 mm、多年平均年蒸發(fā)量為1599.2 mm、多年平均相對濕度69%，屬山地干旱河谷和半干旱河谷氣候區(qū)。本課題實驗研究充分考慮到自然氣候條件，探索了適配的生態(tài)修復(fù)技術(shù)與方法。

2011年4～10月，實驗課題組選擇某水電工程3座(2#、3#、4#)棄渣場，取5 m×10 m 為一個實驗塊，采用加水加草屑拌和當?shù)厣惩梁唵武佋O(shè)在37°的斜坡上(厚10 cm)與坡頂拋撒(厚20 cm)未加水及草屑拌和的沙土20個實驗項目組相對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水土保持與植被存活效果有明顯差異。加水加草屑拌和的、加水未加草屑拌和的實驗組都比坡頂拋撒的組塊植被長勢好。而且坡頂拋撒組塊在暴雨后被雨水沖刷有多條深溝，視覺效果見圖2。

圖2 某電站2#渣場摻拌草屑實驗圖

圖3 某電站3#、4#渣場摻拌膠凝材料實驗圖

2012年3～11月，實驗課題組選擇另一水電工程3座(2#、4#、5#)棄渣場，采用摻拌微量(當?shù)厣惩林亓?%～5%)的膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)，與此前(2012年3～11月)實驗內(nèi)容重復(fù)做40組類同實驗，分別鋪設(shè)在25°～45°的斜坡上。如果說有差別，則主要是加膠凝材料及比例的多少。其后，又增加了摻拌黏土比例(2%～10%)的實驗組數(shù)，目的是檢驗土體在極度干旱條件下是否產(chǎn)生“板結(jié)”以及植物存活狀態(tài)。另外，草種由一般雜草增加為雜草、三葉草、油菜籽等。通過近兩年的實驗和觀察發(fā)現(xiàn)，實驗取得了較為理想的效果(圖3)。

實驗結(jié)果表明:加水摻拌進實驗塊的雜草、三葉草、油菜籽等植物種子，3～4 d 后紛紛長出綠芽，尤其是油菜籽長勢較好;而僅由草屑、雜土加水摻拌的實驗塊植物長勢更好，只是在一場暴雨過后有表土流失痕跡，比沒有加水、加草屑(自然)的狀態(tài)好很多。與此對應(yīng)，摻拌有微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)的實驗塊植物長勢稍差，但坡面明顯形成薄薄的硬殼，十分有利于保土。經(jīng)過一個雨季的檢驗，也證實了其保土效果良好。

盡管水泥、粉煤灰、黏土、硅粉等都屬于膠凝材料，微量摻拌沒有較大程度地改變土體土質(zhì)及酸堿性，植物長勢也未呈現(xiàn)根本改變，但實驗區(qū)土壤本身偏堿性，再加入弱堿性膠凝材料是否改變了土壤質(zhì)量還有待較長時間的觀察檢驗。在抗沖刷實驗研究中，我們擬定了摻與不摻膠凝材料、摻與不摻草屑以及膠凝材料和草屑都摻拌3種情況、9組實驗塊進行表土抗沖刷對比，采用可調(diào)節(jié)水量的噴淋裝置，加水表控制水量，模擬大雨、暴雨從1000 mm 高度直接沖刷實驗組塊(坡面)。通過30～60 min 的觀測，摻拌膠凝材料和草屑的坡體表面水土流失很小，沒有摻拌草屑的坡面次之，自然松散鋪設(shè)在坡面的表土抗沖刷情況較差。

4 結(jié)語

在高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷及高陡坡體進行水土保持和生態(tài)修復(fù)實驗的目的是取得保土經(jīng)濟、簡便的方法。保土就能夠保住水、保住肥，這不僅是農(nóng)業(yè)意義上的土、水、肥問題，而且是山地生態(tài)之根本，能為復(fù)雜、脆弱環(huán)境植物的存活生長創(chuàng)造基質(zhì)條件。此項研究，雖沒有復(fù)雜的理論支持，也無須精確計算，但也的確為一種務(wù)實的探索和有推廣和實用價值的實驗，用步步為營的微觀方式，處理全國十分麻煩的宏觀生態(tài)環(huán)境問題，無數(shù)個經(jīng)濟單元或承包經(jīng)營農(nóng)戶、林戶都可以采用其改善水土流失問題。經(jīng)科技情報檢索，國內(nèi)外業(yè)界均無此類實驗研究先例。本研究課題的意義亦不僅局限在生態(tài)環(huán)境，而且對于重新認識土地，開發(fā)利用山區(qū)坡地，為農(nóng)戶拓展經(jīng)濟發(fā)展空間的作用不可限量。